DE69823057T2 - Verfahren zum verbinden von teilen aus aluminium oder alumimiumlegierungen - Google Patents

Verfahren zum verbinden von teilen aus aluminium oder alumimiumlegierungen Download PDF

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Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbinden von Teilen aus Aluminium oder Aluminiumlegierungen ohne Verwendung von Flussmitteln.
  • Das Verbinden von Metallen durch Adhäsion (Löten oder Hartlöten), d. h. die Verwendung von zusätzlichen Materialien für das Verbinden, ist bereits bekannt. Ein Verbinden von Metallen durch Kohäsion (d. h. Verschweißen mittels geschmolzenem Metall oder mittels Druck), d. h. wenn die zum Verbinden verwandten Materialien einheitlichen Zustand von Materialzustände zu einander formen, ist ebenfalls bekannt. Im Falle der Kohäsion ist es möglich, die Flächen der zu verbindenden Teile durch Erhitzen in einen nicht-flüssigen Zustand zu bringen und die Verbindung durch Druck zu erreichen.
  • Beim Verbinden von Aluminiumteilen hat sich das Verbindungsverfahren als schwer kontrollierbar erwiesen, teils aufgrund der oft kurzen Schmelzintervalle des Aluminiums und dessen Legierungen, und teils weil die Oxydschicht – Al2O3 – eine Keramik ist, die, auf die wirkliche Temperatur (ca. 600°C) erhitzt, eine Festigkeit und Zähigkeit besitzt, die schwierig ist, zu durchdringen. Dies trägt zur Bildung einer wirksamen Barriere zur Verhinderung einer Reaktion, z. B. mit einem Lötmittel, bei. In diesem Zusammenhang darf darauf hingewiesen werden, dass der Schmelzpunkt von Al2O3 bei über 2000°C liegt.
  • Ein kommerziell bedeutsames Produkt, das zur Herstellung aus Aluminium vorgesehen ist, sind Wärmetauscher, vorausgesetzt, ein zuverlässiges Verbindungsverfahren ist für die Teile verfügbar. An ein kommerzielles Verbindungsverfahren werden hohe Ansprüche gestellt, vor allem wenn Ammonium als Kühlmittel in einem Tauscher verwendet wird. Der Arbeitsdruck kann bis zu 40 bar erreichen.
  • Aus WO 91/04825 und US-A-4 754 913 ist ein Verbindungsverfahren für Aluminiumteile bekannt, in dem ein röhrenförmiges Teil mit einer Flansch verbunden werden soll. Mindestens eins der Teile ist vor dem Verbinden beschichtet, und ein vibrierender Dorn wird in das röhrenförmige Teil geschoben, worauf eine Schwingung eingeleitet wird. Also wird eine „erzwungene Schwingung" auf eines der Teile übertragen, und der aktive Effekt ist eine relative Bewegung zwischen zwei Teilen, was zur Verbindung beiträgt.
  • Die in US-A-4 754 913 offenbarte Technik ist zudem beschränkt auf die Verwendung von Lötbeschichtungen aus Zink. Das Verfahren kann in Kürze als ein Schwingungsschweißen beschrieben werden, das voraussetzt, dass die Verbindungsteile, wo eine metallische Bindung vorgesehen ist, in gegenseitiger metallischer Berührung sind und sich genau an diesem Berührungspunkt relativ zu einander bewegen.
  • Die japanische Zusammenfassung 63-317 249 offenbart eine Laminierungstechnik für Aluminium oder Aluminiumlegierungen unter Verwendung von beschichteten Materialen, die unter dem Einfluss von Ultraschallschwingungen zur raschen Bildung einer Verbindung gebracht werden. Das Verfahren setzt einen hohen Druck mit einer plastischer Deformierung von 20–5% voraus, wie auch das korrekte Temperaturniveau und eine gleichzeitige Ultraschallkonzentration auf die Verbindung. Die Verwendung des Verfahrens ist auf flache Verbindungen mit Verbindungsteilen von beschichteten Blechen beschränkt, wobei der Ultraschall nur die Funktion hat, die Schweißgeschwindigkeit zu erhöhen.
  • DE-A-963 914 betrifft elektrische Lötstücke zum Löten von Aluminium. Das spitze Lötstück wird dabei beweglich angeordnet und in oder angrenzend an die Lötschmelze angebracht und ist konstruiert, um eine Schwingung bei einer Frequenz von ca. 100 Hz an ein Werkstück zu leiten. Das Lötstück arbeitet wie ein Schwingungstreiber, der die Oxydschicht durchdringt.
  • DE-A-735 861, eine Ergänzung zu DE-A-720 629, betrifft eine Technik, die allgemein die Anwendung von Schwingungen einer bestimmten Frequenz im Zusammenhang mit dem Verbinden von Aluminiumteilen darlegt.
  • US-A-3 680 200 betrifft eine Technik zum Löten von Röhren mit Hilfe von Ultraschall. Das Verfahren setzt das Anbringen einer Rohrverbindung voraus, so dass eine kontrollierte Spalte entlang der ganzen Peripherie des Maleteils und des Femaleteils entsteht. Der Ultraschall wird seitwärts auf das Maleteils bzw. die Femaleteils derart appliziert, dass sich die Verbindungsteile an der Verbindung gegen einander bewegen, wobei die Oxydschicht durch Friktion und mechanischen Einfluss beim Erhitzen zerbricht. Die Toleranzen sind derart eingestellt, dass die Mindestgrenze (0,05 mm) die für den Ultraschall benötigte Minimalentfernung für die Friktionserzeugung durch mechanischen Einfluss ist. Die Obergrenze ist eingestellt, um zu verhindern, dass das Lötmittel durch die Verbindung fließt und somit an Verbindungsstelle nicht mehr vorhanden ist. Das Verfahren des US-Patentes kann, entsprechend dem, was in WO 91104825 oder in US-A-4 754 913 offenbart wird, als ein Schwingungsschweißen mit darauf bezogenen gültigen Ansprüchen und Bedingungen charakterisiert werden. In der Praxis wäre es beinahe unmöglich, eine Rohrverbindung mit den oben genannten Dimensionstoleranzen in einer laufenden Produktion zu bewerkstelligen. Außerdem kann erwähnt werden, dass das Lötmittel bereits durch die Verbindung fließt, wenn die Spalten nur 0,1 mm groß sind.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist eine Verbindungstechnik zu schaffen, die ermöglicht, Teile aus Aluminium und/oder Aluminiumlegierungen sicher miteinander in metallischen Bindungen ohne Verwendung von Flussmittel zu verbinden unter Berücksichtigung der Materialeigenschaften der beiden mit einander zu verbindenden Teile und auch ein mögliches Hartlöt-/Lötmaterial. Die Erfindung betrifft sowohl ein Verfahren als auch eine Vorrichtung zum Verbinden von Aluminium und/oder Aluminiumlegierungen.
  • Dies wird erreicht, indem das Verfahren die in den Ansprüchen genannten Merkmale aufweist.
  • Die genannte Technik gemäß der vorliegenden Erfindung ist keineswegs abhängig von dem Druck oder der Friktion zwischen den zu verbindenden Teilen an der Verbindungsstelle, wo die metallische Verbindung, eventuell unter dem Einfluss eines Lötmittels, zwischen den Teilen stattfinden soll. Die Toleranzansprüche an die Verbindungstei le sind tatsächlich weniger bedeutend, da vorgesehen ist, dass das Lötmittel geschmolzen ist und in flüssigem Zustand den Verbindungsraum ausgefüllt hat, bevor eine metallische Bindung stattfindet. Ein Verbindungsteil bestehend aus einer recht niedrigen Legierung aus reinem Aluminium mit einem engen Schmelzpunktintervall hat eine verhältnismäßig enge Temperaturzone, in der das Basismaterial die richtige Weichheit besitzt, um den angebrachten Schwingungen (Ultraschall) zu ermöglichen, die Oxydschicht zu zerbrechen. Die untere Grenze liegt ca. 40°C unterhalb der unteren Grenze des Schmelzintervalls – Solidus. Die obere Grenze ist direkt oberhalb von Solidus, in welchem das Metall so weich ist, dass die Schwingungen die Verbindung zusammenbrechen lässt. Ein Verbindungsteil bestehend aus einem Hochlegierungsaluminium mit einem breiten Schmelzintervall hat eine andere und auch breitere Temperaturzone, in welcher angebrachte Schwingungen erfindungsgemäß funktionieren. Die untere Grenze liegt immer noch etwa 40°C unterhalb von Solidus, aber die obere Grenze kann, aufgrand des breiteren Schmelzintervalls, erheblich oberhalb von Solidus liegen. Die Zusammensetzung eines Löt-/Hartlötmaterials ist so angepasst, dass dessen Schmelzintervall zum Schmelzintervall der betreffenden Verbindungsteile passt. Dies führt dazu, dass ein Austausch von Metallkristallen nach dem Zerbrechen der Oxydschicht und bei der konkreten Temperatur ermöglicht wird. Der Austausch von Metallkristallen erzeugt an der Verbindungsstelle eine neue Metalllegierung, deren Schmelztemperatur niedriger ist, als die der Verbindungsteile, die miteinander verbunden werden sollen. Theoretisch ist es auch möglich, diese erfindungsgemäße Technik ohne Verwendung von Löt/Hartlötmaterial zum Verbinden von Teilen anzuwenden, unter der Voraussetzung, dass Metalle mit hoher Legierung oder unterschiedlicher Legierung in den zu verbindenden Teilen verwendet werden.
  • Da die Erhitzung verlängert wird bis ein Zustand der Weichheit (vor Solidus) im Basismaterial erreicht wird, schafft die Anbringung mechanischer Schwingung, mit dem Ziel die Oxydschicht (Al2O3) zu zerbrechen, eine Möglichkeit, einen Austausch von Me tallkristallen in dem Grenzbereich zwischen geschmolzenem und nicht geschmolzenem Material zu initiieren. Dieser Austausch bildet an der Verbindungsstelle die gewünschte metallische Verbindung.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren bedeutet eine Kombination aus Erwärmung und Anbringung von Schwingungen, wobei die Erwärmung zur Schaffung von Weichheit des Basismaterials an den konkreten Verbindungsteilen zuerst durchgeführt wird. Frequenz, Effekt, Amplitude und Dauer der Schwingungswellen können variiert werden. Eine Überwachung der tatsächlichen Wärmeverbreitung und des erreichten Temperaturanstiegs sowie die Kontrolle von Dauer und zugeführtem Effekt in Bezug auf Schwingung und Erwärmung ermöglicht die Erreichung des korrekten Temperaturdifferenz in Bezug auf die untere oder obere Temperaturgrenze in Übereinstimmung mit Solidus, damit der Austausch von Metallkristallen stattfinden kann, was eine entscheidende Voraussetzung eines sich ständig wiederholenden Produktionsprozesses ist. Die für die Überwachung und Kontrolle des erfindungsgemäßen Verfahrens benötigte Technik kann von Fachleuten erbracht werden, d. h. von einem ausgebildeten Automatisierungsingenieur zusammen mit einem Metallurgen, weshalb nachfolgend bloß die Grundlagen dafür beschrieben werden. Dasselbe gilt auch für die Anbringung von Schwingungen, welchen Punkt man hinsichtlich praktischer und produktionstechnologischer Faktoren auswählen kann.
  • Die Verbindung, die zwischen den zu verbindenden Teilen gebildet werden soll, muss mit einem Verbindungsteil mit einer sehr guten Passform zwischen den Teilen seitwärts zum Bindungspunkt konstruiert werden, damit das geschmolzene Lötmittel an Ort und Stelle gehalten wird und nicht wegfließen kann, und damit sowohl eine effektive Wärmeverteilung zwischen den Verbindungsteilen als auch eine effektive Schwingungsverbreitung von einem Verbindungsteil zum anderen erleichtert wird. Die Schwingungen im Metall sind somit abhängig von der angebrachten Frequenz, dem Effekt und der Amplitude, und diese Schwingungen drängen mehr oder weniger tief in die Oberflächenschichten der Verbindungsteile hinein. Ein härteres Metall fordert einen höheren Schwingungseffekt. Die Schwingungen werden bei einer beginnenden Erweichung des Metalls auch modifiziert. Sogar die Anbringungsfläche, d. h. die Größe der Fläche, auf welcher die Schwingungen zu den Metallteilen verteilt werden, ist für das Ergebnis von Bedeutung.
  • Eine Wärmezufuhr durch Induktion ist für das Effektniveau und die Dauer der Schwingungen bedeutsam, mit anderen Worten ergibt eine Verringerung der Wärme in Verbindung mit der Anbringung von Schwingungen einen größeren Spielraum bis das Material zusammenbricht. Eine große Schwingungsamplitude ergibt normalerweise eine bessere Fähigkeit die zähe Al2O3-Schicht zu zerbrechen.
  • Es ist auch möglich die Al2O3-Schicht hauptsächlich durch Beizen zu entfernen, wobei die Oberfläche durch eine dünne (z. B. 0,5 μm) Zinkschicht geschützt werden kann. Selbstverständlich führt dies zu ganz anderen Bedingungen, sowohl für die Anbringung von Schwingungen und das Erhitzen als auch für die Wahl des Hartlöt/Lötmaterials und dessen Zusammensetzung.
  • Um ein klareres Bild vom Einfluss und der wechselseitigen Abhängigkeit der oben genannten Faktoren zu geben, wird nachfolgend die Realisierung einer speziellen Verbindung beschrieben, im Rahmen welcher zwei ausgeweitete Rohre mit einem Rohrbogen verbunden werden sollen. Beide Verbindungsteile werden mit Ringen aus Lötmaterial versehen. Was nachfolgend beschrieben wird, ist allgemein für alle Arten von Verbindungen aus Aluminium und für alle Legierung für Hartlöt-/Lötmittel anwendbar, jedoch gehört die ausgewählte Verbindungsanwendung zu denen, die schwieriger zu realisieren sind. Das beruht vorwiegend auf den vorherrschenden asymmetrischen Bedingungen hinsichtlich der Wärmeverteilung und des Wärmeaustauschs mit der Umgebung. Der Wärmeverlust von den geraden Rohrteilen ist wesentlich höher als der vom Rohrbogen Die Wahl der Induktionsfrequenz steuert die Eindringtiefe der induktiven Erhitzung. Eine höhere Frequenz generiert eine geringere Eindringtiefe, obwohl die Ein dringtiefe mit der Erhitzung des Materials zunimmt. Die andere Wärmeübertragung in der Verbindung erfolgt durch Wärmeleitung und/oder thermische Konvektion.
  • Je genauer die Anpassung zwischen den Verbindungsteilen ist?, wirkungsvoller (od. effektiver) findet die Wärmeübertragung in Form von Wärmeleitung statt. Bei schlechter Anpassung wird die Wärmeleitung aufgrund von thermischer Resistenz verhindert, wobei der Konvektionsanteil zunimmt. Der Konvektionsanteil lässt sich am schwierigsten einschätzen und steuern.
  • Das Rohrstück, das die Hitze zuerst aufnimmt, nimmt auch die thermische Ausdehnung als Erstes auf. Wenn zunächst das geweitete Rohrstück erwärmt wird, kann die Anpassung in der Verbindung verloren gehen und dadurch eine thermische Resistenz entwickeln. Das Gegenteil gilt, wenn der Rohrbogen zuerst erhitzt wird, andererseits kann aber der Rohrbogen schmelzen, bevor das geweitete Rohrstück das Temperaturniveau zur Vollendung einer befriedigender Verbindung erreicht hat.
  • Es ist möglich, sowohl den Bogen als auch die ausgeweiteten Rohrstücke durch Verwendung einer Induktionsspule mit doppelter Wicklung gleichzeitig zu erhitzen und dabei eine gleichmäßigere Temperaturverteilung innerhalb des benötigten Temperaturintervalls entlang des ganzen Verbindungsteils, das verbunden werden soll, zu erzielen, was erlaubt, dass ein Hartlöten/Schweißen stattfindet indem hartgelötet/geschweißt wird. Mit längeren Verbindungslängen kann mehr Wärme durch Wärmeleitung übertragen werden (lineare Funktion), andererseits vergrößert sich die thermische Asymmetrie, wenn mittels induktiven Erhitzens erwärmt wird.
  • Wenn nach dem Schmelzen des Hartlöt-/Lötmittels der Verbindung mechanische Schwingungen zugeführt werden, wird eine dynamische Phase im Verfahren eingeleitet. Schritt für Schritt wird stetig eine neue Legierung in der Grenzzone zwischen den teilweise geschmolzenen Verbindungsflächen zwischen den Teilen geschaffen. In einer Analyse in einem Phasendiagramm verändern also die Phasentransformationskurven für das Löt- oder Basismaterial (von fester zu geschmolzener Phase) an dem Verbin dungspunkt ihr Aussehen. Während dieser dynamischen Phase der angebrachten Schwingungen findet ein ständiger Austausch von Metallkristallen zwischen den Metallen der Verbindungsteile und dem geschmolzenen Lötmittel statt, wobei die in der Grenzzone neu entstandene Legierung sukzessiv einen erhöhten Gehalt an Lötmittelanteilen erhält.
  • Durch die Anbringung der Schwingungen erweitert sich das Temperaturintervall, innerhalb welchem man die Grenzen des Vorgangs in Bezug auf die Temperatur erweitern kann.
  • Die Hauptaufgabe des Hartlöt-/Lötmaterials ist, metallurgische Effekte in Zusammenhang mit Schwingungen herbeizuführen, um effektive Hartlöt-/Lötverfahren zu sichern.
  • Ultraschallschweißen ist als Konzeption bekannt und wird in Handbüchern als eine Kombination aus Friktions- und Druckschweißen erwähnt. Gemeinsam für beide beschriebenen Anwendungen ist die Notwendigkeit umfangreicher Ausrüstung und Werkzeuge. Erwähnt wird auch der Bedarf an Hochdruck, und dass die Anbringung von Schwingungen direkt auf den zu verbindenden Verbindungspunkt zu erfolgen hat. Dadurch ist es schwierig, diese Verfahren anzuwenden, unter anderem wegen der zu hohen Kosten, Platzmangel für sperrige Geräte, Unsicherheit hinsichtlich der Durchdringung durch die Oxydschicht usw.
  • Die erfindungsgemäße Technik beinhaltet einen ganz anderen Ansatzpunkt und Herangehensweise, wobei der tatsächliche Verfahrensablauf an der Verbindungsstelle bei der Erwärmung und Anbringung von Schwingungen in Betracht gezogen wird, weshalb weniger sperrige Geräte verwendet und schwierigere Anwendungen (Schweißen/Hartlöten/Löten von Rohrbögen usw.) durchgeführt werden können. Erfindungsgemäß ist es möglich mit Frequenzen wesentlich unterhalb des Ultraschalls zu arbeiten sowie mit extrem hohen Amplituden. Dies vereinfacht die Ausbreitung der Schwingungen im Metall zu der Verbindung. Offensichtliche Nachteile sind jedoch ein hoher Lärm pegel, Ansprüche an nicht-elastischem und ungedämpftem Festspannen der Verbindungsteile und hohe Ansprüche an die Temperatursteuerung. Tatsächlich sind Frequenzen unter 15000 Hz wegen des Lärms ungeeignet.
  • Unter Nutzung der Erfindung werden die erfindungsgemäßen Erhitzungs- und Schwingungsverfahren in einer einfachen Anwendung nur grob gesteuert, aber in einer komplexeren Anwendung mit hohen Forderungen nach einer sicheren und fehlerfreien Verbindung wird anderseits das Verfahren z. B. durch eine optische Temperaturmessung gesteuert, wobei das Thermometer über einen Prozessor mit den induktiven Erhitzungs- und Ultraschallgeneratoren verbunden ist, wobei das Temperatur- und Schwingungsverfahren gleichzeitig entsprechend den gemessenen Temperaturen gesteuert wird. Eine mögliche Komplikation beruht auf eventuellen Variationen in der Dicke der Al2O3-Schicht (2 bis 10 μm), was lokal entstehende Schmelzeinstiche in Form von kleinen Löchern bedeutet, durch welche die Schmelze entrinnen kann. Das Risiko ist am höchsten bei (zu) hohen Temperaturen und Schwingungen. Durch Beizen eines leicht handzuhabenden Verbindungsstücks zu einer gleichmäßigen Stärke der Oxydschicht oder zu einer totalen Entfernung der Schicht, wo die Oberfläche dann durch einen Zink-Überzug (0,5 μm) geschützt wird, kann diese Komplikation bewältigt werden. Verbindungsteile, die sich auf solche Weise nicht handhaben lassen, können vor dem Schweißen/Löten zu einer ebenen Oxydschicht poliert werden.
  • Die Erfindung wird nun gemäß der in den beigefügten Figuren dargestellten Ausführungsform beschrieben.
  • 1 zeigt schematisch eine Fläche eines Querschnitts eines zu bildenden Verbindungspunktes zwischen zwei Teilen entsprechend der erfindungsgemäßen Technik, z. B. wenn ein gerades Rohr mit einem Rohrbogen verbunden wird, wobei ein Hartlöt/Lötmittel an dem Verbindungspunkt vorhanden ist sowie die Vorrichtung zur Durchführung des Verbindungsprozesses.
  • 2 zeigt eine Induktionsspule für das erfindungsgemäße Verfahren.
  • 3 zeigt, teilweise in Querschnitt, zwei Rohrteile, die mit einem Rohrbogen verbunden wurden sowie die zugehörige Vorrichtung.
  • 1 zeigt also eine Fläche eines Querschnittes eines werdenden Verbindungspunktes, wo ein Hartlöt-/Lötmittel 2 vorhanden ist im Anschluss zu der Verbindung oder dem Verbindungspunkt 3, z. B. in Form eines Schweißringes. Die Verbindungsteile 1a und 1b haben eine gute Einpassung an der Kontaktfläche 4. Diese gute Einpassung trägt dazu bei, die gegenseitige Position der Verbindungsteile zu arretieren. Der Verbindungspunkt 3 wird mittels einer Wärmequelle zu der beabsichtigten Temperaturzone erhitzt. Diese Wärmequelle kann eine Induktionsspule 5, ein Heißluftgebläse 6,das Heißluft auf die Verbindung bläst, oder eine offene Flamme eines Gasbrenners sein. Der Pfeil 7 symbolisiert die Wärmezufuhr zu den Verbindungsteilen 1a und 1b und zu der werdenden Verbindung. Das Erzielen der korrekten Temperatur wird von einem optischen Temperaturmessgerät 8 überwacht. Ultraschall wird mittels eines akustischen Senders 9 angebracht, wenn die korrekte Temperatur im Verbindungspunkt, oder genauer gesagt, in der werdenden Verbindung, erreicht ist. Das Verbinden wird durch jede Form von Temperatursteuerung oder -kontrolle zur Überwachung von Temperaturniveaus und durch die Möglichkeit des Temperaturerhaltens mit dem Ziel die Temperatur in der Verbindung auszugleichen, erleichtert.
  • Ein praktikables Beispiel von einer zuvor genannten Möglichkeit, die Erfindung zu verwirklichen wird in 2 dargestellt. Die beiden Rohrteile 1B und 1C sollen mit einem Rohrbogen 1A verbunden werden. Die Rohrteile sind geweitet an den Teilen, die dem Rohrbogen am nächsten sind, und umfassen dort die jeweiligen Enden des Rohr bogens sowie die umgebenden Lötringe 2A, 2B. Die Teile werden in der richtigen Position mittels einer Spannvorrichtung 10, vorzugsweise aus Keramik, eingespannt. Zur Erhitzung des Materials sind zwei Induktionsspulen 5A, 5B vorgesehen, wobei in der Figur die untere Spule, die die geweiteten Teile umgibt, etwas größer ist als die obere Spule. Die Form der Induktionsspulen wird in 3 näher dargestellt. Die äußeren Teile der Induktionsspulen sind derart geformt, dass sie eine optimale Wärmeverteilung an die Rohre und den Rohrbogen übertragen. Dabei ist es wesentlich, dass der obere Teil, der äußere Male-Verbindungsteil, d. h. der Rohrbogen in 2, mindestens genau so schnell erhitzt wird, wie der untere Teil, d. h. der Female-Verbindungsteil. Bei der umgekehrten Situation kann der Zwischenraum zwischen den Teilen zu sehr geweitet werden, so dass das Lötmaterial ausfließen kann.
  • Die Figuren zeigen auch, dass sowohl die Enden der #geweiteten Rohre als auch die Enden des Rohrbogens konisch geformt sind. Die Einpassung zwischen den Rohrteilen und einem etwaigen Lötring ist sehr wesentlich für das Erreichen der richtigen Temperaturverteilung, und die Enden der Rohrteile sollen vorzugsweise eine konische Form mit einem Winkel von ca. 1 : 15 aufweisen. Eine schlechte Einpassung bewirkt eine geringere Hitzeübertragung und eine verminderte Schwingungsübertragung zwischen den Verbindungsteilen, was das ganze Verfahren entsprechend verlangsamt und das Risiko einer undichten Verbindung erhöht.
  • Die Gesamtzykluszeit für ein Verbinden von Rohrteilen gemäß dem oben genannten Beispiel ist abhängig von weiteren Parametern. Zuerst muss das Material auf eine Temperatur gerade unterhalb von Solidus, die z. B. für eine Aluminiumlegierung mit der Bezeichnung AA3103 bei 640°C liegt, erhitzt werden, was bedeutet, dass ein Erhitzen bis 620–630°C, vorzugsweise 625°C, durchgeführt wird. Die Dauer des Erhitzens ist abhängig vom zugeführten Effekt, und als Beispiel kann erwähnt werden, dass die Dauer bei 5 kW zugeführtem Effekt bei 18 Sekunden, bei 10 kW bei ca. 6 Sekunden beträgt. Nach dem Erhitzen folgt eine Zeit des Beibehaltens der konstanten Temperatur beim erreichten Temperaturniveau, wonach das Temperaturniveau etwas abgesenkt wird, und die Ultraschallschwingungen angebracht werden. Die Dauer des Beibehaltens der Temperatur sollte mit dem für das Erhitzen verwendeten Effekt etwas verlängert werden und variiert gewöhnlich innerhalb des Intervalls um 15–25 Sekunden, bei sehr wohlgeformten Einpassungsteilen, kann jedoch die Haltezeit noch weiter verringert werden.
  • Die Ultraschallschwingungen werden während einer kurzen Dauer, 1–5 Sekunden, vorzugsweise 1–2 Sekunden, angebracht. Die Schwingungsfrequenz kann innerhalb eines weiten Intervalls von ca. 360 Hz bis zu 60.000 Hz und höher variieren. Aus praktischen Erwägungen, wie beispielsweise verfügbare Ausrüstung, Arbeitsumfeld usw., wird vorzugsweise eine Frequenz oberhalb der hörbaren Region im Intervall von 23.000–43.000 Hz, vorzugsweise 30.000/35.000 Hz, gewählt.
  • Die Erfindung ist nicht auf die oben genannten, schematischen Ausführungsformen beschränkt, Veränderungen können im Rahmen der nachfolgenden Patentansprüche vorgenommen werden.

Claims (4)

  1. Verfahren zum Verbinden von Teilen aus Aluminium oder Aluminiumlegierungen umfassend Erhitzung der Teile, die in einer Lage zum Verbinden festgespannt sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Erhitzung des Materials bis zu einer Temperatur Tr unterhalb des Schmelzpunktes des Basismaterials erreicht ist und bei welcher das Basismaterial sich in einem Zustand der Weichheit befindet, durchgeführt wird, Aufrechterhaltung der Temperatur auf einem konstanten Niveau mit darauf folgendem geringem Absenken des Temperaturniveaus ein wenig, wonach mindestens ein der Teile, bei einer Temperatur Tu, die niedriger ist, als die soeben erst erreichte Temperatur Tr und nicht niedriger als 40°C unterhalb der unteren Grenze des Schmelzintervalls liegt, mechanische Schwingungen ausgesetzt wird durch Anbringen von Ultraschall solcher Art und Dauer, dass die Oxydschichten auf dem Basismaterial zerbrechen und eine metallische Verbindung erreicht wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Differenz zwischen den Temperaturen Tr–Tu 1–25°C beträgt.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Erhitzung mittels Heißluft und/oder induktive Erhitzung bis zu einer Temperatur Tr innerhalb des Temperaturintervalls 500–650°C durchgeführt wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwingungen innerhalb des Intervalls 360–60000 Hz liegen, wobei die Schwingungen nach 2–30 Sekunden abgebrochen oder wesentlich reduziert werden.
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